Итак, почему этот новооткрытый лентивирус вызывает у своих жертв неизлечимое и коварное заболевание? Прежде чем ответить на этот вопрос, нам придется рассмотреть молекулярную биологию ретровирусов (семейство Retroviridae), способ существования которых уникален среди вирусов, поражающих эукариотические клетки (Coffin, Hughes, Varmus, 1997). Несмотря на то что их геном состоит из РНК, они реплицируются с помощью ДНК интермедиата, который включается в хромосому инфицированной клетки. Этот процесс обратной транскрипции и включения генома осуществляется при посредстве РНК-зависимой ДНК-полимеразы (называемой обратной транскриптазой) и интегразы, которые являются компонентами вирусного нуклеокапсида. Обратная транскрипция, приводящая к синтезу двухцепочечной ДНК-копии вирусной генетической информации, происходит в цитоплазме клетки. Затем эта ДНК транспортируется в ядро, где интеграза включает ее в ДНК клетки. Получившийся в результате провирус служит базовым лагерем для образования вирусов в инфицированной клетке. Провирус транскрибируется РНК-полимеразой-II клетки-хозяина, в результате чего образуется матричная РНК для синтеза белка и образования генома нового вируса, готового к упаковке в инфицирующие вирионы. В большинстве клеток человеческого организма ВИЧ-1 ведет себя как цитолитический вирус. Те клетки, которым посчастливилось уцелеть после инфицирования ВИЧ-1, хранят в своем геноме копию вируса, которая передается дочерним клеткам. Ретровирусные провирусы обладают некоторыми признаками, характерными для профагов бактериофагов, но по другим признакам сильно от них отличаются. И провирусы, и профаги наследуются дочерними клетками и могут после индукции стать источниками инфекции, но провирус ретровируса является облигатным интермедиатом при литической репликации вируса. Напротив, фагам нет необходимости образовывать профаг для того, чтобы реплицироваться литически. Это отделяет ретровирусы от всех остальных вирусов эукариотических клеток. Это свойство имеет значимые последствия для эволюции геномов позвоночных животных, о чем мы более подробно поговорим в главе 14.

Вирусная частица ВИЧ-1 состоит из тороидального нуклеокапсида, одетого в липидную оболочку, инкрустированную копиями единственного вирусного оболочечного гликопротеина (белка env), состоящего из двух субъединиц – gp40 и gp120. Env является единственным вирусным белком, находящимся на поверхности вирусных частиц, и главным антигеном, против которого иммунная система хозяина вырабатывает антитела. Белок составлен из консервативных каркасных участков и вариабельных участков. Вариабельные участки «видны» иммунной системе хозяина, но они непрерывно изменяются, избегая тем самым контакта с циркулирующими антителами. Функционально важная часть белка либо свернута в маскирующие складки, либо прикрыта углеводными модификациями аминокислот на выступающих на поверхность белка участках. Вариабельные участки можно считать «ложным аэродромом» для сил иммунной системы. Белок env – это хамелеон, кодирующая его нуклеотидная последовательность является самым изменчивым геном из известных биологам-эволюционистам (Holmes et al., 1992; Rambaut et al., 2004). Этот белок обеспечивает проникновение вируса в клетку, связываясь со специфическими рецепторами на поверхности клеток-мишеней. Вирус предпочитает CD4 антиген-положительные T-лимфоциты (CD4+T-клетки). Вирусный env вначале распознает и связывает белок CD4 на поверхности клетки, но не с его помощью осуществляется проникновение в нее, env должен вступить во взаимодействие со вторым белком – корецептором. Разные линии вируса демонстрируют предпочтение к одному из двух корецепторных белков: R5 тропических вирусов, которые используют рецептор CCR5 для входа в клетку, или X4 тропических вирусов, которые используют рецептор CXCR4 для входа в клетку. Некоторые CD4+T-клетки имеют на своей поверхности оба рецептора, но в большинстве случаев присутствует рецептор какого-то одного типа, а это значит, что тропизм к вирусам R5 или X4 определяет диапазон клеток-хозяев, которые могут быть поражены вирусом. Соединение env с CD4 запускает конформационные изменения в этом белке, который в этот момент открывает замаскированные участки, чтобы связаться с корецептором. Часть белка env, называемая пептидом слияния, занимает нужное положение и прободает мембрану клетки-хозяина, в результате чего вирусная оболочка сливается с плазматической мембраной клетки. Вирусный нуклеокапсид проникает в цитоплазму клетки. Эта сложная, отработанная «тактика плаща и кинжала» дает возможность выполнять главную стратегию, которая позволяет защитить эволюционно консервативную часть вируса, отвечающую за проникновение в клетку, от распознавания и уничтожения иммунной системой организма-хозяина.

Начало конца ВИЧ-инфекции происходит на достаточно ранних стадиях заболевания, которое продолжается в течение приблизительно десяти лет и заканчивается полным поражением иммунной системы и развитием СПИДа. Вирус особенно охотно инфицирует активированные CD4+T-клетки, на поверхности которых очень много CD4 и CCR5-корецепторов. Во время острой фазы инфекции ВИЧ-1 вирус избирательно поражает популяции активированных CD4+T-клеток в слизистых оболочках, выстилающих стенки кишечного тракта и половых путей, а также в кишечных лимфатических узлах (Hel, McGee, Mstecky, 2006). Важным аспектом патогенеза ВИЧ-1 является избирательное поражение иммунокомпетентных клеток. Те T-клетки, которые накапливаются в месте внедрения инфекции и обладают специфичностью в отношении вирусных антигенов, активируются ими и становятся удобными клетками-мишенями, пригодными для размножения вируса. Вирус эффективно заманивает предпочтительные для него клетки в ловушку. По мере прогрессирования инфекции инфицированные T-клетки движутся к дренирующим лимфатическим узлам, которые густо заселены клетками-мишенями. Начинается систематическое и планомерное уничтожение иммунной системы организма; первичной популяцией клеток, атакованных вирусом, являются хелперные CD4+T-клетки, которые совместно с другими иммунокомпетентными клетками поддерживают эффективность клеточного и гуморального иммунитета. Об ухудшении состояния больного, инфицированного ВИЧ-1, свидетельствует прогрессирующее снижение содержания в крови CD4+T-клеток и ослабление их хелперных функций. Подсчет CD4-клеток в 1 кубическом миллиметре плазмы крови используют в качестве суррогатного диагностического метода для мониторинга прогрессирования инфекции у больного. Несмотря на то что в хронической стадии заболевания число инфицированных T-клеток остается небольшим в сравнении с их общим числом, вирус поражает иммунную систему на многих уровнях. Организм теряет способность к восстановлению популяции нормально функционирующих CD4+T-клеток и к осуществлению эффективного хелперного и цитотоксического Т-клеточного ответа. Эффекторные цитотоксические Т-клетки ослабляют ответ на вирусные антигены; нарушается функция иммунной системы и становится клинически явным приобретенный иммунодефицит.

ВИЧ-1 представляет благодатное поле для исследователей, которые получили возможность изучать эволюцию вируса в режиме реального времени у его носителей в многочисленной популяции в течение большей части ее истории в клетках человека. В большинстве случаев при изучении вирусов мы вынуждены довольствоваться кончиками тонких веточек их эволюционного дерева. В случае ВИЧ-1 геномные нуклеотидные последовательности доступны у всех вирусов из любого места их генеалогического древа. Ученые могут прослеживать геномные последовательности, начиная с корней, когда ВИЧ-1 впервые дебютировал как вирус человека, а также изучать геномы с тонких веточек, то есть геномы вирусов, циркулирующих в наши дни. Вероятно, самым удивительным аспектом эволюции ВИЧ-1 является то, что эта эволюция осуществляется внутри организма хозяина. В фазе хронического течения заболевания в пробах крови больных в каждом миллилитре содержится до 10 миллионов вирусных РНК-геномов. Массивная виремия создает ежедневно от 10 миллиардов до 1 триллиона новых вирусных частиц. Учитывая, что это происходит изо дня в день в течение десятков лет, мы можем уверенно утверждать, что это очень мощный стимул для генетической вариабельности, которая позволяет ВИЧ распространяться по организму с беспрецедентной скоростью. РНК-геном ВИЧ является продуктом работы РНК-полимеразы, которая в среднем делает одну ошибку на пять геномов. Популяция из триллиона вирусов, образующихся ежедневно, содержит до 200 миллиардов различных вирусных геномных последовательностей; в самом деле, в течение всего лишь одного дня вирус может опробовать каждое нуклеотидное замещение, возможное в данном геноме. Образующиеся в результате квазивиды могут исчерпывающе испытать все доступное пространство последовательностей и обеспечить вирус взрывоподобной способностью к эволюционным изменениям и адаптации, и именно эти качества делают ВИЧ-1 смертельно опасным для человека.

В организме человека ВИЧ-1 находится на крутой кривой эволюционного обучения, так как должен учиться отвечать на наши иммунные реакции и на активность системы противовирусной защиты. Так же как вирусы гриппа в человеческой популяции имеют более высокую скорость эволюции, чем вирусы гриппа, паразитирующие на птицах, так и высокая скорость эволюции ВИЧ-1 характерна для эволюционного конфликта, который всегда возникает при начале новых или недавно возникших отношений вируса и хозяина. По прошествии достаточного времени (при отсутствии всякого медицинского вмешательства) можно рассчитывать на два радикально отличающихся друг от друга исхода современной эпидемии ВИЧ: линии ВИЧ-1 и род человеческий вымрут, или штаммы вируса и генетические линии людей будут сосуществовать на популяционном уровне в результате коадаптации. Цепь передачи ВИЧ-1 в человеческой популяции к настоящему времени установлена прочно; эпидемия, если ее не контролировать, станет самоподдерживающейся – ВИЧ стал эндемичным заболеванием. Гигантское бремя, наложенное ВИЧ на человеческие сообщества, подавляет человеческий потенциал в наиболее пораженных инфекцией странах третьего мира. Невероятно важна задача создания эффективных лекарств и вакцин. Конечно, человеческое общество не может, опустив руки, ждать, когда наконец род человеческий выработает сопротивляемость в отношении вируса. Исход такого самопроизвольного процесса не однозначен, и человечество должно вмешаться, а не позволять Черной Королеве продолжать свой бег на месте. Эволюционный потенциал ВИЧ-1 – вот что представляет самую большую трудность на пути эффективного биомедицинского вмешательства в эту эпидемию.